室內(nèi)UWB通信高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧慧東 焦良葆 周健

摘要：面對(duì)生活中對(duì)高精度室內(nèi)定位需求，采用DecaWave公司的DWMIOOO芯片，設(shè)計(jì)一種基于UWB的測(cè)距與定位系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)利用雙邊測(cè)距（TWR）機(jī)制避免了基站之間的時(shí)鐘同步，精確計(jì)算出標(biāo)簽和基站間的距離，同時(shí)根據(jù)飛行時(shí)間（TOF）定位算法解超限定方程組求得標(biāo)簽的坐標(biāo)位置。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)靜止標(biāo)簽的測(cè)距誤差不超過(guò)15cm，移動(dòng)標(biāo)簽測(cè)距誤差不超過(guò)30cm，同時(shí)在信號(hào)非視距傳播情況下的表現(xiàn)也較穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足大部分場(chǎng)景下的室內(nèi)定位需求。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位;超寬帶;雙邊測(cè)距;實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk.191704

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7800（2020）004-0159-05

Indoor High-precision Positioning System Design Based on UWB

GU Hui-dong， JIAO Liang-ba02. ZHOU Jian

（I.College of Telecommunication Engineering ， Nanjing Univer.sity of Posts and Telecomm unications ， lVanjing 2 1 0003 ， China ;

2. College of Telecomm unication Engineering ， lVanjing In.stitute of Technology ， lVanjing 211100 . China ）

Abstract： This paper adopts DWMlOOO chip of DecaWave company to design a UWB-based ranging and positioning systeru forhigh-precision indoor positioning in daily life. In this sy stem， the clock synchronization between the base stations is eff'ectively avoidedby u sing the bilateral ranging （ TWR ） mechanism . and the distance between the tag and the base station is accurately calculated. Mean-while. the coordinate position of the tag is obtained hy solving the over-limit equations according to the time of flight （TOF） position-ing algorithm. Through the field measurement. it can be found that the ranging error of the static tag of the systeru does not exceed15cm. and the ranging error of' the mohile tag does not exceed 30cm. At the same time， the performance of the signal in the case ofnon-line-of：sight propagation is also relatively stable . which can meet the requirements of' most scenes for indoor positioning system.Key Words ： indoor positioning; ultra-wideband; TWR; real-time positioning system

O 引言

在無(wú)線通訊技術(shù)極速發(fā)展和打造智慧城市的大背景下，人們對(duì)于小范圍區(qū)域內(nèi)基于位置的服務(wù)也越來(lái)越關(guān)注。醫(yī)院、隧道、變電站等GPS信號(hào)弱的環(huán)境中都需要一種精確的位置服務(wù)代替GPS，以滿(mǎn)足各種位置需求，如人員定位、車(chē)輛精準(zhǔn)停車(chē)以及危險(xiǎn)區(qū)域提前預(yù)警等…。目前，國(guó)內(nèi)外室內(nèi)定位需求普遍要求精度達(dá)到厘米級(jí)。相較于空曠的室外環(huán)境，室內(nèi)環(huán)境更為復(fù)雜，干擾因素也更多，因此要求定位技術(shù)方案的魯棒性要強(qiáng)[2]。

現(xiàn)在小區(qū)域內(nèi)定位方式主要為RSSI（ Received SignalStrength Indication）和TOF（ Time Of Flight），它們都需要在區(qū)域內(nèi)固定一些通訊節(jié)點(diǎn)，超聲波、射頻信號(hào)、紅外線、藍(lán)牙、UWB（ ultra-wideband）等無(wú)線訊號(hào)是節(jié)點(diǎn)間主要通訊手段[3]。其中，紅外與超聲波受視距通訊的影響，其應(yīng)用場(chǎng)景有限，藍(lán)牙與WiFi等通訊單位時(shí)間內(nèi)功率損耗高，且定位誤差較大[4]。而UWB技術(shù)相較于其它傳統(tǒng)通訊方式，所有優(yōu)點(diǎn)基本都有，如穿透性強(qiáng)、功耗低、抗噪聲能力強(qiáng)[5]。同時(shí)，UWB擁有較好的時(shí)間分辨率且對(duì)抵抗多路徑有較強(qiáng)能力[6]

為了更好地加以描述，定義室內(nèi)無(wú)線定位中存在的兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)：①參考節(jié)點(diǎn)（基站），在定位區(qū)域中已知白己坐標(biāo)位置的節(jié)點(diǎn);②非參考節(jié)點(diǎn)（標(biāo)簽），在定位區(qū)域中未知，但可以獲得與區(qū)域內(nèi)參考節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離，通過(guò)定位算法獲得同參考節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置坐標(biāo)。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)研究主要集中在測(cè)距定位等算法的研究與改良上，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件具體實(shí)現(xiàn)則鮮有涉及。

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（責(zé)任編輯：孫娟）

收稿日期：2019-05-26

作者簡(jiǎn)介：顧慧東（1994-），男，南京郵電大學(xué)通信工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槭覂?nèi)定位;焦良葆（1972-），男，博士，南京工程學(xué)

院通信工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槭覂?nèi)定位;周健（1963-），男，碩士，南京郵電大學(xué)通信工程學(xué)院副研究員、碩

士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。本文通訊作者：顧慧東。